Un proceso de adsorción por cambios de presión caracterizado porque comprende las etapas de separar un mezcla de gases de alimentación adsorbiendo al menos un componente de gas en lechos adsorbentes previstos dentro de siete recipientes de adsorción (10,

20, 30, 40, 50, 60, 70) con un primer conducto de igualación (108) que conecta cada recipiente de la pluralidad de recipientes y un segundo conducto de igualación (110), distinto del primer conducto de igualación, y que también conecta cada recipiente de la pluralidad de recipientes;

en el que cada uno de los siete recipientes de adsorción sigue la misma secuencia de etapas, donde la secuencia de etapas de cada recipiente está desfasada con respecto a los otros recipientes;

en el que la etapa de separación presenta una igualación de presión de tres fases (E1, E2, E3) y se lleva a cabo con no más de cinco válvulas (10A a 10E, 20A a 20E, 30A a 30E, 40A a 40E, 50A a 50E, 60A a 60E, 70A a 70E) por recipiente de la pluralidad de recipientes;

en el que la igualación de presión de tres fases se produce a través del primer conducto de igualación y del segundo conducto de igualación;

en el que la igualación de presión de tres fases comprende:

a/- la etapa de abrir una primera válvula (10C, 20C, 30C, 40C, 50C, 60C, 70C) que conecta de manera fluida el primer conducto de igualación con uno de los siete recipientes, denominado como el primer recipiente, estando dicha primera válvula en un estado abierto y no impidiendo el flujo a lo largo del primer conducto de igualación hasta un primer recipiente restante de los siete recipientes,

b/- la etapa de abrir la primera válvula (10C, 20C, 30C, 40C, 50C, 60C, 70C) que conecta de manera fluida el primer conducto de igualación con el primer recipiente, estando dicha primera válvula en un estado abierto y no impidiendo el flujo a lo largo del primer conducto de igualación hasta un segundo recipiente restante de los siete recipientes,

c/- la etapa de abrir una segunda válvula (10D, 20D, 30D, 40D, 50D, 60D, 70D) que conecta de manera fluida el segundo conducto de igualación con el primer recipiente, estando dicha segunda válvula en un estado abierto y no impidiendo el flujo a lo largo del segundo conducto de igualación hasta un tercer recipiente restante de los siete recipientes, estando la primera válvula en un estado cerrado durante el estado abierto de la segunda válvula durante la etapa c/ 35 y estando la segunda válvula en un estado cerrado durante el estado abierto de la primera válvula durante las etapas a/ y b/;

en el que la primera válvula proporciona un primer caudal predeterminado durante un estado abierto, y en el que la segunda válvula proporciona un segundo caudal predeterminado durante un estado abierto.

Ciclos PSA de alta recuperación con complejidad reducida.

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere a sistemas de adsorción por cambios de presión y a procesos para efectuar adsorción por cambios de presión.

Discusión de los antecedentes

La adsorción por cambios de presión (PSA, Pressure Swing Adsorption) es una técnica utiliza para fraccionar mezclas de gases para proporcionar al menos un gas de producto purificado y una mezcla subproductos refinados. La PSA se ha utilizado de manera satisfactoria para separar hidrógeno de otros gases, oxígeno y nitrógeno del aire, helio del gas natural, entre otros.

Los primeros sistemas PSA utilizaban generalmente cuatro recipientes adsorbentes dispuestos en paralelo. Un ejemplo es la patente de EE.UU. nº 3.430.418 a nombre de Wagner. Posteriores mejoras en el proceso de Wagner añadieron una etapa de igualación de presión adicional manteniendo al mismo tiempo cuatro lechos adsorbentes (por ejemplo, la patente de EE.UU. nº 3.564.816 a nombre de Batta) y posteriormente se añadieron más etapas de igualación de presión con siete o más lechos en la patente de EE.UU. nº 3.986.849 a nombre de Fuderer et al. Estos incrementos en el número de igualaciones de presión y en el número de recipientes adsorbentes se implementaron para mejorar la recuperación del producto y la productividad del adsorbente. Desafortunadamente, la mejora del rendimiento suponía un aumento en el número de válvulas requeridas, de treinta y una válvulas en el proceso de Wagner hasta treinta y tres en el proceso de Batta y hasta un mínimo de cuarenta y cuatro para el proceso de Fuderer et al.

El rendimiento de los ciclos PSA se mide normalmente según varios criterios. El primero es la recuperación del producto a un nivel de impureza dado, la fracción de la variedad de producto en el flujo de alimentación total que se suministra como producto purificado. Una segunda medida es la productividad del adsorbente, que está relacionada con la proporción del ciclo PSA durante el cual se suministra el producto en comparación con la longitud total del ciclo. Con el fin de maximizar uno o ambos de estos parámetros en composiciones de alimentación fijas, en otros sistemas se han descrito varios enfoques.

Wagner describe la utilización de gas almacenado en los lechos presurizados para volver a presurizar un lecho que haya sido purgado y después purgar otro recipiente antes de que se agote la presión en el primer recipiente. Batta describe posteriormente que podría añadirse una segunda igualación de presión a la primera y que esto mejoraría la recuperación en gran medida. Batta mantuvo el suministro de gas de purga en su ciclo. Fuderer et al. ampliaron este enfoque a una tercera igualación de presión y mostraron que el gas más puro extraído de un lecho debería ser siempre el último gas introducido en cualquier otro lecho que esté volviéndose a presurizar. El ciclo de cuatro recipientes de Batta está constituido de tal modo que se introduce gas menos puro que el realmente deseable en el recipiente que está presurizándose. Además, la invención de Fuderer et al. permitía una mayor productividad del adsorbente que la que se conseguía con los ciclos anteriores, ya que la fracción de tiempo en el ciclo asignado a la adsorción era mayor debido a los detalles de la lógica de conmutación de válvulas.

Aunque estos procedimientos proporcionan una recuperación del producto y una productividad del adsorbente excelentes, lo consiguen a expensas de un alto grado de complejidad. El proceso original de Wagner utilizaba cuatro recipientes y treinta y una válvulas para proporcionar una igualación de presión y la purga de otro recipiente. Batta aumentó este total a treinta y tres válvulas y cuatro recipientes para su ciclo con dos igualaciones. Ambos ciclos de cuatro lechos producen gas a partir de un recipiente dado el veinticinco por ciento de las veces. Batta proporcionó además un sistema de cinco recipientes con cuarenta y tres válvulas para reordenar las igualaciones y proporcionar la represurización deseada con gases cada vez más puros. Este ciclo sólo era productivo con un recipiente dado el veinte por ciento de las veces. El ciclo más simple de Fuderer et al. que proporciona tres igualaciones y una etapa de purga requería nueve recipientes y cincuenta y cinco válvulas. Este ciclo era productivo el treinta y tres por ciento de las veces, un incremento considerable con respecto a los ciclos de Batta y Wagner. Aunque estos ciclos progresaron en las áreas críticas de recuperación y productividad, lo hicieron a expensas de una complejidad mecánica mucho mayor. Este aumento en la complejidad va a acompañado de aumentos en el volumen, masa, tiempo de ensamblaje y coste capital del sistema. Además, el gran incremento en el número de válvulas en el tiempo reduce significativamente la fiabilidad del sistema PSA, ya que los sistemas PSA son sistemas de un solo punto de fallo, los cuales deben apagarse si falla una válvula.

Se han realizado intentos para reducir la complejidad con el fin de afrontar los problemas relacionados. La patente de EE.UU. nº 4.761.165 a nombre de Stöcker implementó el proceso de Wagner utilizando cuatro recipientes y dieciocho válvulas, de las cuales cuatro podían ser válvulas controladas proporcionalmente. La patente de EE.UU. nº 6.146.450 a nombre de Duhayer et al. describe un medio para reducir la complejidad introduciendo accesorios de tubería de manera óptima, aunque este enfoque no altera sustancialmente el ciclo PSA en lo que respecta al número de válvulas o recipientes. Una simplificación mecánica mucho más radical se ha descrito en una solicitud titulada “METHOD AND APPARATUS FOR PRESSURE SWING ADSORPTION” del inventor Franklin D. Lomax, Jr. et al., presentada junto con la presente, que está basada en la solicitud provisional número 60/370.702 titulada "IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR PRESSURE SWING ADSORPTION", presentada el 9 de abril de 2002.

Aunque el proceso de Stöcker consigue una simplificación sustancial en el número de válvulas utilizadas con respecto al proceso de Wagner, no describe los medios para llevar a cabo una segunda o una tercera igualación de presión para mejorar la recuperación ni describe un aumento en la productividad del adsorbente. Las simplificaciones mecánicas de Duhayer et al. y de Lomax et al., ofrecen ventajas para casi cualquier ciclo PSA, pero no indican específicamente ninguna reducción intrínseca en el número de válvulas o cambios en los ciclos para conseguir una mayor recuperación o productividad del adsorbente sin el mayor uso relacionado de válvulas y recipientes indicado por Batta, Fuderer et al. y otros. Además, ninguna de estas mejoras altera sustancialmente la fiabilidad de los ciclos PSA, ya que los ciclos básicos siguen siendo sistemas de un solo punto de fallo.

El documento US 4761165 desvela un sistema de adsorción de presión (PSA) con una pluralidad de recipientes limitada a cuatro lechos con cuatro válvulas por recipiente y que funciona con una igualación de presión de dos fases.

El documento EP 0529513 desvela un sistema PSA de cuatro o cinco lechos con cinco válvulas 1, 5, 9, 13, 17 y que funciona con una igualación de múltiples fases (figuras 1 y 2) .

El documento US 6146450 desvela un sistema PSA con cuatro lechos y cinco válvulas por recipiente y que funciona con una pluralidad de fases de igualación (figuras 2 y 3) .

El documento US 6447582 desvela un sistema PSA que comprende 2N adsorbentes con dos conductos de igualación y una igualación de presión de múltiples fases.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona de manera ventajosa ciclos de funcionamiento PSA mejorados que reducen la complejidad del equipo PSA.

Además, la presente invención proporciona de manera ventajosa un procedimiento general para simplificar los ciclos PSA y optimizar la recuperación del producto y la productividad del adsorbente, reduciendo al mismo tiempo simultáneamente la complejidad mecánica utilizando conductos de fluido de igualación en paralelo.

La presente invención proporciona de manera ventajosa un procedimiento para llevar a cabo ciclos PSA mejorados de una manera tolerante a fallos, donde el fallo de una sola válvula no requiere que se apague el sistema.

La presente invención proporciona de manera ventajosa un proceso de adsorción por cambios de... [Seguir leyendo]

1. Un proceso de adsorción por cambios de presión caracterizado porque comprende las etapas de separar un mezcla de gases de alimentación adsorbiendo al menos un componente de gas en lechos adsorbentes previstos dentro de siete recipientes de adsorción (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) con un primer conducto de igualación (108) que conecta cada recipiente de la pluralidad de recipientes y un segundo conducto de igualación (110) , distinto del primer conducto de igualación, y que también conecta cada recipiente de la pluralidad de recipientes;

en el que cada uno de los siete recipientes de adsorción sigue la misma secuencia de etapas, donde la secuencia de etapas de cada recipiente está desfasada con respecto a los otros recipientes;

en el que la etapa de separación presenta una igualación de presión de tres fases (E1, E2, E3) y se lleva a cabo con no más de cinco válvulas (10A a 10E, 20A a 20E, 30A a 30E, 40A a 40E, 50A a 50E, 60A a 60E, 70A a 70E) por recipiente de la pluralidad de recipientes;

en el que la igualación de presión de tres fases se produce a través del primer conducto de igualación y del segundo conducto de igualación;

en el que la igualación de presión de tres fases comprende:

a/- la etapa de abrir una primera válvula (10C, 20C, 30C, 40C, 50C, 60C, 70C) que conecta de manera fluida el primer conducto de igualación con uno de los siete recipientes, denominado como el primer recipiente, estando dicha primera válvula en un estado abierto y no impidiendo el flujo a lo largo del primer conducto de igualación hasta un primer recipiente restante de los siete recipientes,

b/- la etapa de abrir la primera válvula (10C, 20C, 30C, 40C, 50C, 60C, 70C) que conecta de manera fluida el primer conducto de igualación con el primer recipiente, estando dicha primera válvula en un estado abierto y no impidiendo el flujo a lo largo del primer conducto de igualación hasta un segundo recipiente restante de los siete recipientes,

c/- la etapa de abrir una segunda válvula (10D, 20D, 30D, 40D, 50D, 60D, 70D) que conecta de manera fluida el segundo conducto de igualación con el primer recipiente, estando dicha segunda válvula en un estado abierto y no impidiendo el flujo a lo largo del segundo conducto de igualación hasta un tercer recipiente restante de los siete recipientes,

estando la primera válvula en un estado cerrado durante el estado abierto de la segunda válvula durante la etapa c/ y estando la segunda válvula en un estado cerrado durante el estado abierto de la primera válvula durante las etapas a/ y b/;

en el que la primera válvula proporciona un primer caudal predeterminado durante un estado abierto, y

en el que la segunda válvula proporciona un segundo caudal predeterminado durante un estado abierto.

2. El proceso según la reivindicación 1, en el que el primer caudal predeterminado es diferente del segundo caudal predeterminado.

3. El proceso según la reivindicación 1 o 2, en el que cada uno de los siete recipientes tiene:

- una primera abertura (12, 22, 32, 42, 52, 62, 72) conectada a un colector fuente de entrada (100) a través de una de las cinco válvulas, distinta de la primera y de la segunda válvula, denominada como la tercera válvula (10A, 20A, 30A, 40A, 50A, 60A, 70A) y conectada a un colector de salida de residuos (104) a través de otra de las cinco válvulas, distinta de la primera y de la segunda válvula, denominada como la cuarta válvula (10E, 20E, 30E, 40E, 50E, 60E, 70E) ; y

- una segunda abertura (14, 24, 34, 44, 64, 74) conectada a un colector de salida de producto (102) a través de otra de las cinco válvulas, distinta de la primera y de la segunda válvula, denominada como la quinta válvula (10B, 20B, 30B, 40B, 50B, 60B, 70B) y conectada al primer conducto de igualación a través de la primera válvula (10C, 20C, 30C, 40C, 50C, 60C, 70C) y la segunda válvula (10D, 20D, 30D, 40D, 50D, 60D, 70D) , conectando el primer conducto de igualación cada recipiente de la pluralidad de recipientes.

4. El proceso según la reivindicación 3, en el que la secuencia de etapas de cada recipiente consiste en un ciclo que comprende:

- una etapa de adsorción (A) durante la cual la mezcla de gases de alimentación se suministra desde el colector fuente de entrada (100) hasta la primera abertura de uno de los siete recipientes;

- una primera etapa de igualación de presión (E1D, E2D, E3D) que presenta la igualación de presión de tres fases,

donde la presión en dicho recipiente de los siete recipientes disminuye durante la primera etapa de igualación de presión;

- una etapa de purga (PP) durante la cual los residuos se descargan desde el dicho recipiente hasta el colector de residuos a través de la cuarta válvula; y

- una segunda etapa de igualación de presión (E3P, E2P, E1P) que presenta la igualación de presión de tres fases, donde la presión en dicho recipiente de los siete recipientes aumenta durante la segunda etapa de igualación de presión.

5. El proceso según la reivindicación 4, en el que:

la primera etapa de igualación de presión comprende una despresurización en el sentido de la corriente (PP) que proporciona la etapa de gas de purga durante la cual el fluido sale de la segunda abertura desde el interior de dicho recipiente de los siete recipientes hasta el segundo conducto de igualación; y

la segunda etapa de igualación de presión comprende una etapa de represurización de producto final (FP) después de la igualación de presión de tres fases, donde el fluido fluye desde el colector de producto y a través de la segunda abertura hacia el interior de dicho recipiente de los siete recipientes durante dicha etapa de represurización de producto final (FP) .

6. El proceso según la reivindicación 5, en el que las tres fases de igualación de presión/despresurización de la primera etapa de igualación de presión se producen antes de la despresurización en el sentido de la corriente que proporciona la etapa de gas de purga.

7. El proceso según la reivindicación 6, que comprende además un etapa de soplado a contracorriente (BD) antes de la etapa de purga (PP) , donde el fluido del interior de dicho recipiente de los siete recipientes sale a través de la primera abertura y se desplaza hasta el colector de residuos de salida (104) durante dicho soplado a contracorriente (BD) .